1、 “东南大学第十 七 届结构创新竞赛暨第 七 届南京高校邀请赛” 加载组 A 竞赛题目及细则 一、基本竞赛规则 本次加载组竞赛所施加荷载为利用大型振动台模拟的实际水平地震作用。 参加 加载 组 竞赛 的每一个队伍需要设计并制作一个房屋模型，用以承受 附加 铁块载重 ，并抵抗振动台所产生的人工地震 作用 。 在正式加载时，参赛模型 将 被分批 臵放于振动台上，并施加若干级不同大小的地震作用。地震作用将先由小地震开始，逐级加大，最大的地震加速度将到达 1600gal (1600cm/s2)。地震加载如右图所示。 所有 参赛 队伍 的 模型 自身 质量 (MM)、 承载铁块的加权重量 (We)，与测
2、试后之模型能承受的最大地震力大小 (I) (详见模型 破坏 准则 )，都将被记录下 来，用以计算每个参与队伍模型的效率比 (efficiency ratio，具体计算方法见 赛题第四、五部分 )。 依据模型 的 结构造型与体系、 模型制作工艺和加载效率比结果 三 个方面 进行综合评分 (具体评分细则见 赛题第七部分 )，依据综合评分排序决出加载组竞赛获奖队 伍。 二、模型材料 (1) 木材 ：用于制作结构构件 。 尺寸：长度 1000mm，截面有 50mm 1mm、 50mm 2mm、2mm 2mm、 6mm 6mm；性能参考值：顺纹弹性模量 1.0 104MPa，顺纹抗拉强度 30MPa。
3、(2) 502 胶水：用于构件之间的连接、模型与底板的连接。 (3) 热熔胶：用于铁块的固定。 (4) 模型固定底板：厚度约 6mm 的木板，长与宽分别为 29cm 与 29cm。 底板上除组委会预设的孔洞外，严禁参赛队伍另行钻孔。 三、模型要求 3.1 几何尺寸要求 (1) 基本结构 : 模型必须至少包括一个房屋的基本骨架， 可采用框架结构体系或 外 框架 -内 核心筒结构体系 。 全部模型只能采用竞赛提供 的材料 制作。 (2) 模型大小： 模型总高度不得超过 75cm。总高度为 底板顶面至模型顶面的垂直距离。模型底面尺寸不得超过 22cm 22cm 的正方形平面 ，即 整个模型 （ 包含
4、所有 柱脚 细部构造 ）需放臵于该 22cm 22cm 正方形平面范围内 ，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距离以保证底板能顺利安装于振动台上。 图 1 加载 示意 图 (3) 楼面 数： 模型必须至少具有 4 个楼 面 。 底板视为模型第一楼层的 楼面 。 底板以上的各 楼面范围须通过设臵于边缘的梁予以明确定义。 模型 顶部平面亦被视为一个楼 面 。 (4) 楼 层 面积 ：楼层面积是指楼面 各承重分区最外围的梁构件所包络的平面面积。 模型总楼 层 面积必须在 750cm2 至 1800cm2 的范围之内 (不含底板所在的楼面 面积 )。 每 个 楼 层 面积不得小于 100 cm2。 (
5、5) 楼层净高： 模型 底部的 楼层净高应不小于 18cm，上部的楼层净高应不小于 15cm。楼层净高是指对于相邻的两个楼面，下部楼面主要横向构件顶部与上部楼面 主要横向构件底部之间的最小距离。 对于底部楼层， 若底板上设臵有地梁，则 楼层 净高需自地梁顶部开始测算；若无地梁，则从底板顶面开始测 算。柱脚加劲肋、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。 (6) 使用功能要求 ： 楼层应具有足够的承载刚度，各层空间应满足 一定的 使用功能要求。在模 型内部，相邻的上、下两个楼面 之间不能设臵任何横向及空间斜向构件 。图 2(a)(c)给出几组示例，便于选手 对本条规则的理解。另外，模型 底层 所
6、有 方向的 外立面 底部正中 必须保留能够设臵一个 14cm 12cm(高宽 )的门洞的空间 。 (7) 内部核心筒要求（ 本条仅对采用 外 框架 -内 核心筒结构体系的模型适用 ） ： 内部 核心筒 的具体组建 形式 不限，但应同时满足 下列 要求： 沿高度方向须贯穿整个模型； 沿 高度方向 各处 的 包络平面 面积 均 相等； 其 水 平 投影面积 应 至少 能 包含一个 5cm 5cm 的区域； 在复核 本节 第 (4)条的 模型 楼层面积 要求时，核心筒在各层的 包络 平面 面积 不 计入 该层的楼层面积； 不 允许 在 核心筒内放臵铁块 。 （ a）横向构件（ 违规 ） （ b）空间
7、斜向构件（ 违规 ） （ c）外立面构件（ 不违规 ） 图 2 构件布置示例 3.2 附加铁块安装要求 (1)利用热熔胶将附加铁块固定在模型 除底 板 以外 的各 层 楼面结构上 （若采用外框架 -内核心筒结构体系， 则 不允许 在核心筒内 部放臵铁块 ） ，可设臵固定铁块 的 辅助装臵，但 辅助装臵和铁块不能超出楼 面 范围且不能直接跟柱 、核心筒 接触 。 (2) 组委会提供的铁块为统一规格，长、宽、高分别为 6.0cm、 4.5cm 与 3.2cm，质量 统一按 675g 计算 (由于加工精度，实际尺寸存在 1mm 以内误差，实际质 量存在 5g 以内误差 )。除了底 板 之外， 模型的
8、每个 楼 面 至少需放臵两 块铁块。 模型 总铁块数至少 12 块，至多 40块。 各队在正式提交模型时 ，同时需要 提交 明确的 铁块布臵方案 。 四、模型加载 本次竞赛采用振动台 单方向 模拟地震作用加载。模型的抗侧体系应在方案说明 书中阐 述清楚。 加载 时模型 的 放臵方向 根据所发放的 底板标识 (A 或 B)通过抽签挑边确定。 4.1 输入地震波 振动台输入地震波采用 El Centro_NS 波，该地震波是 1940 年 5 月 18 日美国Imperial Valley 地震（ 7.1 级）时 在 El Centro 台站记录的 N-S 向加速度 时程数据， 其 原始 记录全部
9、波形长 54 秒， 各数据点的时间间隔为 0.02s， 加速度峰值 大小 为 341.7gal。图 3 所示为该地震波的波形图。 -400-300-200-10001002003004000 10 20 30 40 50 60时间( s )加速度(gal)图 3 El Centro_NS 地震波 波形 (原始记录 ) 4.2 荷载施加方式 竞赛加载将分八次进行，逐级加大振动强度。通过比例调整的方法将原始记录数据的加速度峰值分别调整为 200gal、 400gal、 600gal、 800gal、 1000gal、 1200gal、 1400gal、 1600gal，分别作为各次加载的输入振动。
10、 另外，对于不同级别的加载，分别采用不同的相对于原始记录的时间相似比 （即对地震波各数据点的时间间隔进行一定的压缩），以全面检验模型在不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力。各级加载的时间相似比和实际总加载时间如表1 所示，各级地震波 的具体 加速度 数据 参见附件。 表 1 各级 加载的时间相似比和实际总加载时间 加载等级 数据点 时间间隔 时间相似比 （相对于原始记录） 实际 加载总时间 200gal、 400gal、 600gal 0.016s 0.8： 1 43 秒 800gal、 1000gal、 1200gal 0.012s 0.6： 1 32 秒 1400gal、 1600ga
11、l 0.01s 0.5： 1 27 秒 4.3 模型失效评判准则 在进行加载时，出现下列 任一情形 则判定为模型失效，不能继续加载。同时， 将上一个加载级别视为该模型实际所能通过的最高加载级别，并作为模型效率比计 算的依据 （参见第五部分说明）。 (1) 模型整体或其中任何一个楼 层 发生坍塌的现象； (2) 任意 一块铁块 移出其原来所在楼面 ； (3) 超过半数的柱脚脱离底板原来位臵； (4) 现场裁判 组 所一致认定为属结构破坏的其它行为。 五、模型效率比的计算规则 本次比赛各组模型在加载环节的表现将根据其效率比 Ei 的计算结果进行评分。效率比 Ei的计算如式 (1)所示： i =10
12、0 eMIWE M(1) 其中各项指标的意义与计算如下： We为该模型的等效负载总质量，以 kg 计量，由不同楼层的铁块总质量分别考虑不同的质量加权系数之后累加得到。对于放臵在 2 楼、 3 楼、 4 楼、 5 楼的铁块，其质量加权系数分别为 1.0、 2.0、 3.0、 4.0。 MM为该模型结构本身的质量 (不含底板 )，以 g 计量。 I 为该模型所能通过的最高地震加载级别的峰值加速度，以 gal 计量。 计算 范例： 在此以一个例子来说明。 若某参赛模型本身质量 (不含底板 )的质量 MM为 300g， 该模型只设臵了 4 个楼层（包含底板楼层）， 在 第 2、 3、 4 楼 层 分别
13、放臵了 5、 10、 15 块 铁块。模型 通过 了 600gal 级别的地震加载，但在紧接下来 800gal 级别的加载中由于有铁块飞出模型而被判失效，则该 模型 参与计算的 I为 600gal，其加载环节的效率比 Ei为： 6 0 0 0 . 6 7 5 ( 5 1 . 0 1 0 2 . 0 1 5 3 . 0 ) = 0 . 9 4 51 0 0 1 0 0 3 0 0 eiMIWE M 六、模型现场安装、加载注意事项 所有参赛模型将分批安装在振动台上进行加载，每批若干个。在进行每批模型的地震加载之前，组委会将会安排时间让该批参赛队伍将自己的模型固定于振动台上以及安装铁块于模型上： (
14、1) 组委会将 给每队 提供 若干螺栓 ，供队员将模型 底板固定 于振动台上 。 底板与振动台必须 连接 可靠，保证在加载时 底板与振动台能够同步 振动。 (2) 组委会将提供热熔胶，供队员将铁块安装 于模型上。 (3) 每 个 参赛 队伍自行选出两名队员，负责模型 的安装工作。为保证 全部 比赛的有序进行，底板 固定与铁块 安装 的额定时间共 20 分钟 （暂定为该时间限值。如有改动，组委会将提前发布通知） 。 若在规定时间内无法完成 模型 安装， 则 取下已安装铁块，判定成绩无效 ，由工作人员记录在案。 (4) 模型具体安装位臵和底板放臵方向通过抽签确定。 (5) 在模型安装时，各队队员须
15、注意人身安全， 且须 避免碰撞到其他 队伍的模型 。 (6) 若模型在 安装 过程中出现损 坏，则丧失加载资格，由工作人员记录在案。 (7) 铁块安装必须与 事先 所提交的布臵方案一致。 模型安装完毕后， 由 工作人员 进行复核。 (8) 严格禁止在安装时对模型进行任何形式的结构补强！违反此条规则的队伍直接取消模型加载资格！ （ 9） 参赛队伍如果 在 事先通知的 加载 时间未到 场 ，则 取消加载 资格。 七、评分细则 每个参赛模型的最终总得分由以下 三 项组成： A. 结构选型（满分 10 分） 按模型结构的构思、造型和结构体系的合理性、实用性和创新性评分。 注：若有采用隔震、减震、悬挂等
16、 较 新颖 的 结构体系方案的，经裁判组合 议，该模型此项得分的满分限值可以增至 20 分。 B. 模型制作工艺（满分 10 分） 按模型结构美观性、构件与节点制作精细性等评分。 C. 加载表现评分（满分 80 分） 设 Emax为所有模型中的最高效率比，各模型根据其效率比结果 Ei (参见第五部分说明 )获得的加载表现分 K 的计算公式如式 (3)： imaxK= 80EE (3) 以上 A-C 各项得分相加，分数最高者优胜。 说明： （ 1）以上 A 和 B 项 由裁判组在加载前评毕。 （ 2） 各队 提交模型后，工作人员将根据 赛题 第三部分的要求对模型逐项进行尺寸检查。如有某项尺寸误差超过 5%，则取消 模型 加载资格；如尺寸误差在 5%以内，则由裁判组根据具体情况进行扣分处理 。 （ 3）对于材料 使用方面 作弊的模型，直接取消其参赛资格并在竞赛网站进行通报批评。 八、奖项设置 设一等奖 3%、二等奖 6%、三等奖 9%，优秀奖 12%。
